Старение — медленный процесс, но старение водок и различных ликеров можно ускорить, подвергнув их действию ультразвука. Как оказалось, кондиционность водок и различных ликеров при этом значительно возрастает. После озвучивания напитки приобретают такие качества, которые без помощи ультразвука можно получить лишь в результате длительной выдержки их в специальных условиях. Однако для ускорения старения вин ультразвуком не пользуются, так как во многих случаях он ухудшает их качество — в винах увеличивается содержание кислоты.
В 1953 году советские ученые Ф. К. Горский и В. И. Ефремов открыли, что ультразвуки способны ускорять процесс старения не только жидкостей, но и твердых тел. Согласно их опытам старение алюминиевых сплавов, необходимое для того, чтобы сплав после закалки приобрел требуемую твердость, происходит под действием ультразвука приблизительно в 80 раз быстрее, чем в нормальных условиях. Это открытие может иметь большое практическое значение.
Глава 5.ПОМОЩНИК ЧЕЛОВЕКА
Итак, ультразвук может разламывать мельчайшие частицы вещества — молекулы. Естественно ожидать, что с помощью мощного ультразвука удастся измельчить также различные жидкие или твердые тела, состоящие из многих миллиардов молекул.
Если в пробирку налить ртуть и воду, то более тяжелая ртуть расположится внизу, а вода сверху. Встряхнув пробирку, можно на мгновение заставить ртуть разбиться на мелкие капельки и перемешаться с водой. Но как только мы прекратим встряхивание, капельки ртути соберутся на дне и сольются в одну большую каплю. В пробирке вновь возникнут два слоя, разделенные резкой границей. Попробуем теперь пробирку опустить в мощный ультразвуковой фонтан. Пройдет всего несколько минут, и мы получим однородную серую массу, где уже нельзя различить отдельные слои. Капельки ртути здесь равномерно перемешаны с водой, как в молоке перемешаны с водою мельчайшие капельки жира.
Тем не менее, это не истинный раствор, в котором растворенное вещество измельчено до молекул. Хотя ультразвук дробит ртуть на мелкие частицы, им все же очень далеко до молекул. С помощью хорошего микроскопа можно различить и измерить отдельные капельки ртути. Они имеют в поперечнике несколько стотысячных долей сантиметра. Подобные капельки содержат еще сотни тысяч молекул, но они уже настолько малы, что не падают мгновенно на дно пробирки, а лишь медленно-медленно оседают. Даже через сутки остается еще сравнительно много мелких неосевших частиц. Такое подобие раствора называют эмульсией, если раздробленное вещество — жидкость, а сам процесс измельчения — диспергированием. Различные эмульсии находят самое разнообразное применение в технике, медицине, в быту.
При постройке дорог широко используют так называемые битумные эмульсии. Чрезвычайно разнообразны эмульсии, встречающиеся в пищевой промышленности, — это различные соусы и кремы, начинки для конфет, а также маргарин, который представляет собою охлажденную эмульсию масла, жиров и кислого молока. Широко применяются эмульсии в фармацевтической, текстильной и кожевенной промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.
Промышленность заинтересована в получении эмульсий в возможно более короткий срок.
Известным советским ученым Сергеем Николаевичем Ржевкиным приготовлено с помощью ультразвука большое количество разнообразных эмульсий. Легко диспергируются (измельчаются) в воде бензол, парафин, различные масла. Особенно легко и быстро образуются эмульсии масел. Они очень устойчивы и лишь незначительно изменяются со временем.
На рис. 33 приведены кадры киносъемки образования эмульсии масла в воде. Диспергируемое масло по трубке подается к ультразвуковому вибратору. Под действием ультразвука оно разбивается на мельчайшие капельки. Образующаяся эмульсия заметна в виде постепенно увеличивающегося облачка. По увеличению белого облачка на последующих фотографиях мы убеждаемся, как быстро происходит образование эмульсии под действием ультразвука (промежутки времени между отдельными фотографиями — доли секунды). Быстрота, с которой происходит ультразвуковое эмульгирование, может иметь большое практическое значение.
При ультразвуковом измельчении основную роль опять-таки играет кавитация. Кроме того, при распространении ультразвуковой волны возникают колебания стенок сосуда, содержащего измельчаемую жидкость. Эти колебания также способствуют образованию эмульсии.
С помощью ультразвука можно измельчать и твердые тела, получая таким образом суспензии — смеси мелко раздробленного твердого вещества с жидкостью. Различные краски, некоторые лекарственные препараты, смазки для трущихся частей машин и другие широко применяемые вещества представляют собою суспензии. Тела, силы сцепления в которых невелики, такие, как гипс, слюда, сера, а также различные твердые органические соединения, как например, нафталин или камфора, размельчаются ультразвуком легко.
Хотя металлы измельчаются труднее, но все же с помощью ультразвука удалось получить также суспензии многих металлов в воде и масле.
Причина измельчения и в этом случае коренится в кавитации. Огромные давления, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, действуют как микроскопические удары, дробящие твердое тело.
Мы знаем, что кавитация возникает не только при распространении ультразвука. С нею мы сталкиваемся при движении корабельных винтов, лопаток гидротурбин. И здесь наблюдается возникновение быстро захлопывающихся кавитационных пузырьков, вызывающее разрушение поверхности винтов и лопаток. Это убеждает нас в том, что одну из причин дробящего действия ультразвука мы указали правильно.
Следует заметить, что с помощью ультразвука можно добиться очень тонкого измельчения твердого тела, но количество раздробленного вещества при этом бывает обычно ничтожно. В самом деле, для того чтобы измельчить всего 1 грамм никеля, пользуясь ультразвуковым генератором средней мощности, потребовалось бы непрерывно озвучивать пластинку размером 4 квадратных сантиметра в продолжение месяца.
Поэтому, когда хотят получить сравнительно большое количество измельченного вещества, прибегают к особым приемам.
Так, например, желая получить суспензию серебра, измельчаемый кусок металла помещают в ванну, наполненную раствором соответствующей соли этого металла, в нашем случае — азотнокислого серебра (рис. 34). В туже ванну опускают специальную металлическую пластинку. Серебро соединяют с положительным полюсом батареи, а пластинку с отрицательным. При протекании электрического тока кусок серебра растворяется, одновременно равное количество серебра из раствора выделяется в виде мельчайших кристалликов на металлическом электроде. Если расположить ванну над колеблющимися кварцевыми пластинками и пропустить через нее мощный ультразвуковой луч, то мельчайшие кристаллики серебра будут отрываться от электрода. Образуется чрезвычайно мелкозернистая суспензия. В этом приборе можно получать суспензии самых разнообразных металлов. Установка отличается простой конструкцией и большой производительностью.
Таким же образом, совмещая химическую реакцию с действием ультразвука, можно получить мелко измельченный осадок самых различных веществ.
В некоторых случаях бывает удобно измельчаемое твердое тело предварительно растворить в каком-либо летучем растворителе, а затем полученный раствор превратить в эмульсию. При эмульгировании возникает кавитация: растворитель, испаряясь, переходит в кавитационные пузырьки, а растворенное твердое тело выпадает в осадок. Таким образом, удается получать суспензии, характеризуемые очень небольшими размерами частиц. Применение этого способа для диспергирования ДДТ, как называют одно из очень эффективных средств борьбы с различными насекомыми, дало возможность получить суспензию этого вещества, являющуюся для насекомых исключительно сильным ядом.
Особенно большое значение приобрело ультразвуковое измельчение в производстве некоторых лекарств. Имеются лекарственные средства, нерастворимые в воде, поэтому их приходится применять в виде эмульсий или суспензий. К таким веществам относится камфора. Нерастворимость камфоры в воде не позволяет вводить ее непосредственно в кровь больного, с тем чтобы она скорее достигла сердца. Если ввести камфорное масло в вену, оно нарушит кровообращение и человек погибнет.
С помощью ультразвука советские ученые раздробили камфорное масло в воде до столь мелких частиц, что подобную эмульсию оказалось возможным безболезненно вводить непосредственно в кровь больному.
В последнее время большое значение приобрели лекарственные вещества, родственные сульфидину. Многие пользуются сульфамидными эмульсиями, но немногие знают, что они часто приготовляются с помощью ультразвука. Как показал опыт, действие полученных с помощью озвучивания сульфамидных эмульсий гораздо эффективнее, нежели эмульсий, приготовленных обычным способом.
Ультразвук позволяет не только приготовлять лекарственные препараты с более высокими лечебными свойствами, но и открывает новые пути введения их в организм больного. С помощью ультразвука можно вводить различные вещества через кожу человека. Ультразвук как бы проталкивает вещество через поры кожи, не повреждая ее. Это свойство ультразвука может иметь большое значение в медицине.
Молекулы некоторых лекарственных препаратов очень непрочны. Если такое лекарство принять так же, как мы принимаем обычные лекарства, то, попав в желудок, оно под действием желудочного сока может измениться и потерять свои лечебные свойства. Для того чтобы этого избежать, было предложено измельчать с помощью ультразвука подобный препарат до капелек столь малого размера, что они, смешиваясь с воздухом, образуют туман. Больной вдыхает полученный туман, и лекарственный препарат вместе с воздухом попадает в легкие. Этот способ введения лекарств может иметь особенно большое значение при лечении легочных заболеваний.